แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

          ความรู้เกี่ยวกับสมบัติทางไฟฟ้าในสมัยโบราณเริ่มขึ้นเมื่อมนุษย์รู้จักนำแท่งอำพันมาถูกับผ้าขนสัตว์แล้วพบว่าแท่งนั้นสามารถดูดของเบาๆได้ นักปราชญ์ในสมัยคริสตศตวรรษที่สิบแปดอธิบายว่า สารทั้งปวงประกอบด้วยของไหลสองอย่าง คือ ไฟฟ้าลบและไฟฟ้าบวก หากเกิดการเสียดสีหรือถู สมบัติทางไฟฟ้าของสารจะปรากฏขึ้น เนื่องจากของไหลทั้งสองมีไม่เท่ากัน

วิลเลียมครูกส์(WilliamCrookes)ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาเพื่อทดลองการนำไฟฟ้าของก๊าซซึ่งเขาสรุปผลการทดลองได้ว่า “ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ดี เมื่อก๊าซนั้นมีความกดดันต่ำๆ และแรงเคลื่อนไฟฟ้ามีค่าสูงๆ”


การทดลองของ ครูกส์ กับหลอดรังสีแคโทด

ต่อมา เซอร์ โจเวฟ จอร์น ทอมสัน (SirJosephnJonhThomson)ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทดเพิ่มเติมดังต่อไปนี้

การทดลองของทอมสัน
เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ได้ทดลองเพิ่มเติม โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดใหม่ (ดังรูป)

ผลการทดลอง
     พบว่ามีจุดเรืองแสงหรือมีจุดสว่างบนฉากเรืองแสง
จากผลการทดลองทอมสันได้ตั้งสมมติฐานว่า 
จะต้องมีรังสีชนิดหนึ่งซึ่งมีประจุไฟฟ้าพุ่งเป็นเส้นตรงมาจากขั้วแคโทด มายังฉาก ซึ่งรังสีนี้อาจจะเกิดจากก๊าซที่บรรจุในหลอดแก้ว หรืออาจจะเกิดจากโลหะที่ทำเป็นขั้วแคโทด
     เพื่อทดสอบสมมติฐานที่ว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุและต้องการจะทราบว่าเป็นประจุไฟฟ้าบวกหรือลบทอมสันจึงได้ทดลองต่อไปโดยใช้สนามไฟฟ้าเข้าช่วย โดยยึดหลักที่ว่า  อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะต้องเบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า “ถ้าอนุภาคนั้นมีประจุไฟฟ้าบวกจะเบนเข้าหาขั้วลบของสนามไฟฟ้า  และถ้ามีประจุลบจะเบนเข้าหาขั้วบวก”
โดยเพิ่มขั้วไฟฟ้าในหลอดรังสีแคโทด ดังรูป

 

ผลการทดลองของทอมสัน
ากการทดลองพบว่า จุดสว่างบนฉากเรืองแสง เบนไปจากตำแหน่งเดิมโดยเบนเข้าหาขั้วบวกของสนามไฟฟ้า
ทอมสันสรุปว่า 
รังสีนั้นมีประจุไฟฟ้าและมีประจุไฟฟ้าเป็นลบเนื่องจากรังสีนี้เคลื่อนที่ออกจากขั้วแคโทดซึ่งเป็นขั้วลบ จึงเรียกรังสีชนิดนี้ว่า รังสีแคโทด และเรียกหลอดแก้วที่ใช้ทดลองว่า หลอดรังสีแคโทด
ทอมสัน ยังมีความสงสัยต่อไปว่า เกิดจากอะไร
การทดลองพิสูจน์สมมติฐานของทอมสัน
      สมมติฐานที่ว่า  
อะตอมประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบแต่ไม่ทราบว่าอนุภาคลบเหล่านี้เกิดจากก๊าซในหลอดรังสีแคโทด หรือเกิดจากขั้วไฟฟ้า
     ทอมสันได้ศึกษาสมบัติของรังสีแคโทดต่อไป  โดยหาอัตราส่วนระหว่างประจุต่อมวลของรังสีนั้น  ในตอนแรกทอมสันได้ทดลองเปลี่ยนก๊าซชนิดต่างๆ ในหลอดรังสีแคโทด  ผลการทดลองปรากฏผลเหมือนเดิม  และเมื่อทดลองเปลี่ยนชนิดของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ทำแคโทด ผลการทดลองปรากฏผลเหมือนเดิม  และได้ค่าประจุต่อมวล(e/m)=1.7x108คูลอมบ์/กรัมเสมอไม่ว่าจะเปลี่ยนชนิดของการ หรือเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ทำเป็นขั้วแคโทด
สรุปการทดลองของทอมสัน
     ท
อมสันทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่า ไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด  จะได้รังสีที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบพุ่งมาที่ฉากเรืองแสงเหมือนเดิม  เมื่อคำนวณหาอัตราส่วนของประจุต่อมวล (e/m)ของอนุภาค จะได้ค่าคงที่ทุกครั้งเท่ากับ 1.76 x 108 คูลอมบ์ต่อกรัม
       สรุปว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า อิเล็กตรอน

ในค.ศ.1909เออาร์มิลลิแกนสามารถหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้โดยการทำการทดลองหยดน้ำมันซึ่งมีประจุภายใต้ความโน้มถ่วงของโลก

จากรูปพบว่าความต่างศักย์ที่เพิ่มขึ้นจะทำให้หยดน้ำมันที่มีประจุเคลื่อนที่ช้าลงเพราะถูกดึงดูดไว้ด้วยขั้วบวก และถ้าเพิ่มความต่างศักย์มากพอจนถึงค่าหนึ่ง จะทำให้หยดน้ำมันหยุดนิ่งได้ แสดงว่าแรงจากสนามไฟฟ้าและแรงเนื่องจากความโน้มถ่วงเท่ากันพอดี ถ้าเราทราบค่าความต่างศักย์และน้ำหนักของหยดน้ำมัน เราก็สามารถหาค่าประจุบนหยดน้ำมันได้ ซึ่งพบว่ามักมีค่าเป็นเลขจำนวนเต็มคูณกับค่าประจุที่เล็กที่สุดเสมอ (เป็นจำนวนเท่าของ 1.60x10-19 คูลอมบ์) เมื่อกำหนดค่าประจุของอิเล็กตรอนดังกล่าวและจากค่าอัตราส่วน(e/m)ของทอมสัน เราก็สามารถทราบได้ว่าน้ำหนักของอิเล็กตรอนคือ 9.11x10-31 ซึ่งปรากฎว่าเบากว่าอะตอมที่เบาที่สุด คือ ไฮโดรเจนราว 1/2000 เท่า

จากผลการทดลองเหล่านี้แสดงว่าอิเล็กตรอนในอะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดและยังสนับสนุนว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคซึ่งแบ่งย่อยต่อไปไม่ได้อีกด้วย

การค้นพบโปรตอน

เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอม จะต้องมีประจุบวกด้วย ออยแกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด ดังรูป

ผลการทดลองของโกสไตน์
เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งฉากเรืองแสง ก. และฉากเรืองแสง ข.
      โกลสไตน์ได้อธิบายว่า  จุดเรืองแสงที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ก. จะต้องเกิดจากที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทด ไปยังฉากเรืองแสง  แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซ หรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่
      โกลสไตน์ได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้วปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้และเมื่อทดลองเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วไฟฟ้าหลายๆชนิดแต่ให้ก๊าซในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่า ผลการทดลองได้อัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากันแสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซ
ไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า
       จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้
       อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ กระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอในอะตอมอะตอมที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ


บบจำลองอะตอมตามทฤษฎีอะตอมของทอมสันมีลักษณะดังรูป

แบบจำลองนี้อธิบายสมบัติต่างๆของธาตุรวมทั้งทฤษฎีพันธะเคมีด้วย ซึ่งก็ใช้ได้บ้างในบางกรณี จนในปี ค.ศ. 1911 แบบจำลองนี้ก็ยกเลิกไป เมื่อ อี อาร์ รัทเธอร์ฟอร์ด ศึกษาการกระเจิง (scattering) ของรังสีแอลฟาในแผ่นโลหะบางๆแล้วพบว่าแบบจำลองอะตอมของทอมสันใช้อธิบายผลการทดลองไม่ได้